Micromechanical modeling of longitudinal tensile behavior and failure mechanism of unidirectional carbon fiber/aluminum composites involving fiber strength dispersion

材料科学 复合材料 极限抗拉强度 威布尔分布 纤维 复合数 压力(语言学) 色散(光学) 应力集中 张力(地质) 断裂(地质) 断裂力学 光学 物理 哲学 统计 语言学 数学
作者
Qipeng Liu,Wengang Jiang,Yuehua Gao,Zhenjun Wang,Shanshan Shi,Zhi SUN
出处
期刊:Chinese Journal of Aeronautics [Elsevier BV]
卷期号:37 (9): 312-327 被引量:6
标识
DOI:10.1016/j.cja.2024.07.022
摘要

This paper examines the longitudinal tensile behavior and failure mechanism of a new unidirectional carbon fiber reinforced aluminum composite through experiments and simulations. A Weibull distribution model was established to describe the fiber strength dispersion based on single-fiber tensile tests for carbon fibers extracted from the composite. The constitutive models for the matrix and interface were established based on the uniaxial tensile and single-fiber push-out tests, respectively. Then, a 3D micromechanical numerical model, innovatively considering the fiber strength dispersion by use of the weakest link and Weibull distribution theories, was established to simulate the progressive failure behavior of the composite under longitudinal tension. Due to the dispersion of fiber strength, the weakest link of the fiber first fractures, and stress concentration occurs in the surrounding fibers, interfaces, and matrix. The maximum stress concentration factor for neighboring fibers varies nonlinearly with the distance from the fractured fiber. Both isolated and clustered fractured fibers are present during the progressive failure process of the composite. The expansion of fractured fiber clusters intensifies stress concentration and material degradation which in turn enlarges the fractured fiber clusters, and their mutual action leads to the final collapse of the composite.
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